粉末冶金作為一個重要的成型工藝被機械等行業(yè)廣泛應用。粉末冶金的成型模具和整形模具的質量和壽命是決定粉末冶金零件的質量與壽命的重要因素，因此，提高粉末冶金模具的質量和壽命對擴大粉末冶金零件的應用范圍是非常重要的。粉末冶金模具在使用過程中通常是由于磨損而引起尺寸超差而失效報廢的。工具鋼一般熱處理后金相組織中都含有較多的殘余奧氏體，由于殘余奧氏體是一種軟質相，強度硬度較低，同時殘余奧氏體又是不穩(wěn)定相，在模具服役過程中易發(fā)生組織轉變、產(chǎn)生組織應力，造成工模具早期破損，尤其是當殘余奧氏體量超過5%以上時，會顯著降低材料的強度和耐磨性［1］。針對被粉末冶金行業(yè)廣泛應用、價格低廉的Gr15鋼粉末冶金零件成型模具和整形模具壽命低這一情況，采用深冷處理來提高鋼的耐磨性而達到延長粉末冶金模具壽命，從而降低粉末冶金零件生產(chǎn)成本并提高零件質量。1試驗方法1.1模具處理及試樣制備

　　從某粉末冶金廠取一批材料為Gr15的制動環(huán)整形模具，經(jīng)正常淬火熱處理后立即進行深冷處理，深冷處理后對模具進行150℃低溫回火。其中深冷處理工藝分別為-100℃，-120℃，-140℃，-160℃，-196℃，深冷處理保溫時間為2h。取樣是直接從深冷處理好后的模具上切割，金相試樣的尺寸為12mm×12mm×10mm，抗彎試樣為?10mm×140mm，無缺口沖擊試樣的尺寸為10mm×10mm×55mm，殘余奧氏體測量及硬度的測量試樣與金相試樣相同。1.2性能檢測和磨損形貌觀察

　　在沖擊試驗機上測量出不同工藝的試樣的沖擊韌性，抗彎剛度由萬能材料試驗機測出，殘余奧氏體量由X-射線衍射儀測出，利用硬度計測量出各試樣的硬度。把深冷處理好的整形模具裝機生產(chǎn)，比較未經(jīng)深冷處理的模具和經(jīng)不同深冷工藝處理的模具的壽命，并利用掃描電鏡觀察失效后的模具磨損形貌。2試驗結果與分析

　　Gr15鋼經(jīng)不同深冷處理工藝處理后的性能如表1。表中還列出經(jīng)不同深冷工藝處理的制動環(huán)整形模具的使用壽命(單個模具的整形零件個數(shù))。表1Gr15鋼不同工藝處理后的性能和模具壽命深冷處理溫度(℃) 殘余奧氏體量(%) 硬度(HRC) 沖擊韌性(J/cm2) 抗彎強度(MPa) 模具使用壽命(整形零件個數(shù))-100℃ 4.5——5.5 61 6.82 2 572 4 300-120℃ 3——4 61 6.78 2 608 4 900-140℃ 2——3 61.5 6.75 2 635 5 800-160℃ 1.5——2.5 62 6.72 2 637 6 600-196℃ 1——2 62 6.69 2 627 6 9000℃ 7——8 60.5 6.86 2 501 3 000,可見，Gr15鋼正常熱處理后仍有較多的殘余奧氏體存在，深冷處理是降低殘余奧氏體最有效的方法。當深冷處理溫度降至-140℃以下時，殘余奧氏體量已基本穩(wěn)定，這是由于溫度降低到一定程度，未轉變的殘余奧氏體應力狀態(tài)已經(jīng)接近于等軸狀態(tài)，殘余奧氏體難以發(fā)生剪切變形，導致殘余奧氏體向馬氏體轉變進程停止，因此經(jīng)-196℃的深冷處理后仍有少量殘余奧氏體存在。由于殘余奧氏體向馬氏體轉變，鋼的硬度在深冷處理后少許提高。Gr15鋼的沖擊韌性并不隨硬度提高而降低，這是由于殘余奧氏體是分布在馬氏體針這間，因此這些新轉變的馬氏體較分散、細小、均勻，而且深冷處理后還保留的一部分殘余奧氏體，以薄膜狀分布于馬氏體周圍，能增加裂紋產(chǎn)生和擴展的難度。因此，經(jīng)深冷處理后鋼的沖擊韌性幾乎不變。深冷處理后鋼的強度有所提高。這是由于深冷處理隨著殘余奧氏體向馬氏體轉變，組織進一步細化，硬度提高，因此，鋼的整體強度得到提高。

　　利用掃描電鏡觀察粉末冶金零件制動環(huán)整形模具的磨損表面，可見模具的磨損形貌為在磨痕上布滿大量剝落坑。圖1箭頭所示為疲勞裂紋擴展至模具表面，圖2箭頭所示為磨屑剝落后留下的剝落坑。

　　擴展至模具表面的疲勞裂紋700× 模具磨損表面磨屑剝落坑400× 　　結合模具在工作過程中受力情況，可作如下分析：由于整形模具是用來壓制經(jīng)過燒結后的粉末冶金零件，工作壓力很高，再加上燒結后的粉末冶金零件硬度較高，因此，整形模具磨損表面布滿了犁溝。另外，模具的工作表面承受很大的擠壓力作用。在這強大的擠壓力反復作用下，模具的亞表層軟相(殘余奧氏體)發(fā)生反復變形，產(chǎn)生大量位錯并在夾雜物等缺陷處發(fā)生塞積，從而萌生裂紋，裂紋在應力作用下不斷擴展，當裂紋長度達到臨界值時，表面與裂紋之間的材料被剪斷，產(chǎn)生薄片狀磨屑［2］。隨著磨屑不斷剝落，從而大大加快了模具的磨損，最終導致整形模具尺寸超差而報廢。整形模具經(jīng)深冷處理后殘余奧氏體量顯著降低，一方面由于硬度和強度提高而增加了犁削難度，從而降低模具的磨損速率；另一方面增加了裂紋的萌生難度，再加上殘余奧氏體轉變后組織得到進一步細化，使裂紋擴展時需要的能量增加，加大了裂紋擴展難度。從機械性能方面來分析，深冷處理使Cr15鋼的韌性不降低，而強度提高，即鋼的綜合性能得到提高，從而提高了鋼的抵抗裂紋萌生和擴展的能力。這樣就降低了磨屑剝落的速度，從而也提高了模具的使用壽命。因此，深冷處理既提高了整形模具抗犁削磨損的能力又提高了模具抗疲勞磨損的能力，從而顯著提高了整形模具的壽命，即在使用時單個模具整形零件個數(shù)顯著增加。3結論

　　粉末冶金整形模具在工作過程中承受了強大的循環(huán)擠壓應力而產(chǎn)生疲勞磨損。整形模具經(jīng)深冷處理后提高了強韌性，增加了疲勞裂紋的生成和擴展難度，降低了磨屑剝落的速率，從而大大提高了模具的使用壽命。另一方面，粉末冶金模具經(jīng)深冷處理后顯著降低了殘余奧氏體量，增加了模具硬度和強度，提高了模具抗犁削磨損的能力，這也顯著提高了模具的壽命。